Ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管的制作方法

ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管
技术领域
1.发明涉及一种8mm的 ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，属于微波电真空有源放大器。


背景技术：

2.行波管作为一种常用的功率放大器，具有宽频带、大功率、高效率和抗电磁干扰的优点，广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域，ka波段行波管作为一种高频段的毫米波行波管，一直处于毫米波功率放大器的前沿，在雷达、制导、电磁对抗、通信、深空探测、成像等方面得到了大量应用。
3.为了满足后续快速发展的需求以及实现关键技术、系统装备的自主可控，很有必要设计开发一种千瓦功率量级的ka波段宽带行波管，满足系统对国产器件高频率、大功率、宽频带的技术要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种结构设计合理，毫米波宽带大功率、高效率，长寿命和可靠性高的ka 波段1kw脉冲行波管。本发明采用螺旋线慢波结构，对设计参数进行优化选取，通过选取较小的γa获得较高的耦合阻抗，结合动态相速渐变技术和cad的手段提高电子效率，同时拓宽工作频带和开展大功率螺旋线行波管振荡抑制技术创新，获得毫米波宽带高电子效率慢波电路；采用ppm聚焦系统保证高的流通率，减小螺流；采用标准bj320波导的输入/输出结构，保证低的电压驻波比和高输出功率的可靠性；采用四级降压收集极提高整管效率并减小返流；采用一体式传导冷却散热结构和封装结构保证整管力学和热学性能，进而保证产品的高可靠性。
5.本发明提供的ka波段1kw脉冲行波管是一种高频率、宽频带、大功率、低螺流、高可靠放大器器件，是一种性能优越，创新性强，是一种可适用于毫米波雷达、大功率微波源等系统应用平台的微波电真空有源放大器器件。
6.技术方案：为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为：一种ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，它包括：聚焦极控制的双阳极电子枪、两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路、四级降压收集极、周期永磁聚焦系统和波导结构输入/输出输能装置；所述的双阳极电子枪与两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路通过氩弧焊相连，两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路与四级降压收集极和波导结构输入/输出输能装置均通过氩弧焊相连；磁钢通过卡箍和黏胶固定在两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路的周期结构上，构成磁聚焦系统；两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路和四级降压收集极上均设计有散热结构，散热结构与散热底板焊接；所述的聚焦极控制的双阳极电子枪、两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路、四级降压收集极、周期永磁聚焦系统和波导结构输入/输出输能装置通过包装件固定在底板上，高压部位硅橡胶灌注，安装罩壳屏蔽保护。
7.所述的聚焦极控制的双阳极电子枪1包括外壳结构、和安装在外壳结构内的阴极组合1-1、枪芯支撑组合1-2、枪壳组合1-3、聚束极1-4、阳极组合1-5和后盖组合1-6；所述的阴极组合1-1包括支撑结构、热丝、热丝引线转接结构和保温结构的三层热屏蔽筒；枪芯支撑组合（1-2）包括枪芯支撑结构、聚束极绝缘瓷、聚束极焊接环、枪芯焊接环、聚束极引线和绝缘瓷过渡封接结构；枪壳组合（1-3）包括枪芯组合支撑结构、阴极绝缘瓷、磁屏蔽筒、电场屏蔽环和金属陶瓷匹配封接过渡结构；阳极组合（1-5）包括第一阳极、第一阳极支撑结构、第二阳极和电子枪段磁屏蔽结构；所述的阴极组合、枪芯支撑组合、枪壳组合、聚束极、阳极组合和后盖组合之间的具体的连接位置关系为：使用配套夹具固定枪芯支撑组合和聚束极，通过激光焊打点焊接方式连接；然后通过高精度工装模具定位，组合再继续装入阴极组合，保证阴极-聚束极相对位置和同心度要求，通过激光焊方式连接固定；借助配套高精度工装，将以上已焊接的组合装入枪壳组合，保证阴极-枪壳定位面相对位置和同心度要求，再装入后盖组合，三者间通过氩弧焊方式连接固定；检验上一步组件控制尺寸和形位公差合格后，与阳极组合配合安装，通过氩弧焊方式连接固定。
8.所述的外壳结构为陶瓷金属封接结构，高压绝缘和瓷封接支撑结构呈碗型分布。
9.作为优选方案，以上所述的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，其特征在于，两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路包括慢波电路外壳和通过三根氧化铍介质夹持杆安装在慢波电路外壳内的两段式喇叭形螺旋线，所述的两段式喇叭形螺旋线为三组；集中衰减器位置起始位置为慢波电路总长l的0.36处、长度分布为14mm（输入段）+19mm（输出段）；慢波电路的相速跳变幅度1.01-1.03-1.055-0.924-0.84-0.832和电子注填充比渐变分布具体是0.47-0.0.65-0.53-0.74。
10.作为优选方案，以上所述的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，其特征在于，所述的四级降压收集极包括收集极外筒、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和收集极后盖组合，所述的各电极通过三瓣瓷环固定在收集极外筒内；各电极的相对位置通过三瓣瓷环上的定位槽固定，各电极的引线从三瓣瓷环中间的间隙穿过；并通过l型金属杆保证各电极引出引线相对其它电极和地电位的绝缘距离；四级降压收集极通过压板固定和填充锡铅焊料与散热底板焊接。
11.四级降压收集极的装配方法为：装配定位合格后的组合借助热推收集极设备，利用材料热膨胀夹持技术，在保护气氛和收集极外筒高频加热状态下，挤压进收集极外筒中，收集极外筒铜提前装入的定位模具壳保证电极组合相对地电位的相对位置和收集极入口相对于安装面的同心度；修正收集极各电极引线的状态，将收集极后盖组合装入组件中，裁去多余引线，各电极引线通过氩弧焊打点方式焊接密封，配合面采用连续波激光焊方式连接固定和密封。
12.作为优选方案，以上所述的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，波导结构输入/输出输能装置采用蓝宝石材料窗瓷片的波导窗，气密性好，功率承受量大，工艺技术成熟。
13.本发明所述的一种ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，所述的聚焦极控制的双
阳极电子枪的装配方法包括以下步骤：先准备枪芯支撑组合、枪壳组合和阳极组合的毛坯，其中枪芯支撑组合通过精车加工，以保证与阴极组合配合面与聚束极定位面的同心度，及聚束极的配合尺寸；将枪壳组合精车加工，以保证与枪芯支撑组合配合面和电子枪定位面的同心度；将阳极组合精车加工，以保证与电子枪的紧配合，再经慢走丝加工保证定位面与阳极孔的同心度；经多道激光焊操作，将阴极的保温结构、支撑结构和热丝引线转接结构有效连接，组成电子枪的核心部件阴极组合；将枪芯支撑组合的毛坯经精车加工，以保证与阴极组合配合面和聚束极定位面的同心度；然后用模具定位，将阴极组合装入枪芯支撑组合，激光焊固定，组成电子枪枪芯，保证阴极-聚束极定位面的同心度和高度；用模具定位，将电子枪枪芯再装入精车后的枪壳组合中，保证阴极-枪壳定位面的同心度和高度，将后盖组合穿过热丝和聚束极引线，并通过氩弧焊固定和密封；装配聚束极，用聚束极同心度校正模定位，同时修正阴极组合和聚束极的高度，通过激光焊固定；检验并修正阴极组合到第一阳极的距离，装配阳极组合，并氩弧焊固定，构成整个电子枪的电子光学系统。
14.本发明提供的聚焦极控制的双阳极电子枪的结构特点和优势在于：电子枪的枪壳的密封封接面只有两层，这种结构可有效提高电子枪的力学强度，大大降低电子枪的漏气风险。相较于传统层叠式绝缘结构，在同等长度设计前提下，耐压裕量显著提高，同时有利于加工精度和装配精度控制。通过聚焦控和阳极进行电子注的调制，利用cad技术优化、分析电子光学系统的特性，减少慢波系统的电子截获。提高电子注的形状和层流性，确保得到层流性好、脉动小的高性能电子光学系统，减少慢波系统的电子截获。如图3本发明通过大量试验优选结构，实现样管全频带动态流通率优于99%，静态流通率优于99.5%。
15.本发明的慢波电路采用两段式螺旋线结构，慢波线采用喇叭状螺旋线，合理设计集中衰减器位置、长度分布，可解决工作点22kv、400ma以下条件,螺旋线慢波电路返波振荡抑制的技术难题。同时优化电路结构和分布，兼顾相速跳变幅度和电子注填充比渐变分布，改善电子效率和拓宽频带。样管可实现动态流通率99%以上，带宽6ghz实现脉冲输出功率大于1kw，在ka频段高频端电子效率20%以上的技术水平，并实现批次一致性功率波动小于0.8db。
16.本发明采用四级降压收集极结构，工艺上采用三瓣瓷环结构定位，采用热压焊接工艺，结构强度高、绝缘性能好、散热传导能力强。收集极通过压板固定和填充锡铅焊料与但热底板安装焊接。收集极在满工作比条件下，外表面工作温度低于65℃。
17.有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明设计高面压缩比大电流密度电子枪在毫米波行波管上应用，可实现全频带电子注流通率达到99%以上的技术水平，高频率、大功率、宽带高效率电真空器件的低螺流技术创新推动行业进步，提升产品的可靠性。
18.2、本发明在ka频段6ghz带宽范围内实现脉冲输出功率大于1kw，功率波动0.8db，在ka频段高频段电子效率达到20%以上的技术水平。
19.3、本发明采用螺距-外径非均匀双渐变螺旋线结构实现相速的指数变化，改善整管工作稳定性和电子注速度-相速的再同步状态，可提升产品性能。工艺上可解决喇叭状螺旋线绕制精度难题，螺距精度实现0.003mm，径向精度实现0.003，产品良品率和性能一
致性明显提高。
附图说明
20.图1为本发明提供的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管的结构示意图。
21.图2为本发明双阳极电子枪的结构示意图。
22.图3为本发明双阳极电子枪的性能测试的结构示意图。
23.图4为本发明螺旋线慢波电路的结构示意图。
24.图5为本发明四级降压收集极的结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
26.如图1至图5所示，一种ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，它包括：聚焦极控制的双阳极电子枪1、两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2、四级降压收集极3、周期永磁聚焦系统4和波导结构输入/输出输能装置5；所述的双阳极电子枪1与两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2通过氩弧焊相连，两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2与四级降压收集极3和波导结构输入/输出输能装置5均通过氩弧焊相连；磁钢通过卡箍和黏胶固定在两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2的周期结构上，构成磁聚焦系统4；两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2和四级降压收集极3上均设计有散热结构，散热结构与散热底板焊接构成冷却散热装置6。
27.所述的聚焦极控制的双阳极电子枪1、两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2、四级降压收集极3、周期永磁聚焦系统4和波导结构输入/输出输能装置5通过包装件固定在底板上，高压部位硅橡胶灌注，安装罩壳屏蔽保护。
28.作为优选方案，以上所述的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，所述的聚焦极控制的双阳极电子枪1包括外壳结构、安装在外壳结构内的阴极组合1-1、枪芯支撑组合1-2、枪壳组合1-3、聚束极1-4、阳极组合1-5和后盖组合1-6；ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，其特征在于，所述的聚焦极控制的双阳极电子枪1包括外壳结构、和安装在外壳结构内的阴极组合1-1、枪芯支撑组合1-2、枪壳组合1-3、聚束极1-4、阳极组合1-5和后盖组合1-6；所述的阴极组合1-1包括保温结构的三层热屏蔽筒，和安装在三层热屏蔽筒内的支撑结构、位于支撑结构上的热丝和与热丝相连的热丝引线转接结构；枪芯支撑组合1-2包括枪芯支撑结构、聚束极绝缘瓷、聚束极焊接环、聚束极引线和绝缘瓷过渡封接结构、枪芯焊接环；其中枪芯支撑结构、聚東极絶緣瓷、聚束极焊接环和金属陶瓷匹配封接过渡件实现匹配封接；组件通过高精度焊接模约束定位，采用激光焊方式焊接固定聚束极焊筒，两个关键基准面采用分体式结构设计，具有不通过组件二次加工而实现高精度控制的目标；最后将聚束极装入组件中聚束极引线安装中，通过激光焊方式焊接固定。这种结构设计具有绝缘性能好和结构体积小的特点。
29.枪壳组合1-3包括枪芯组合支撑结构、阴极绝缘瓷、磁屏蔽筒、电场屏蔽环和金属
陶瓷匹配封接过渡结构；枪壳组合两端设计采用补偿瓷结构的方式消除金属陶瓷封接过程中的焊接应力，枪芯组合支撑结构、阴极绝缘瓷、磁屏蔽筒和两端的金属陶瓷匹配封接过渡结构通过陶瓷材料的高精度模具，具有不黏模和不通过二次加工即可获得高精度的优势；在高电场区区设计电场屏蔽环结构，通过激光焊方式固定在内侧补偿瓷上，具有抗打火和防蒸发提高绝缘性能的特点。
30.阳极组合1-5包括第一阳极、第一阳极支撑结构、第二阳极和电子枪段磁屏蔽结构；第一阳极支撑结构由两个阳极绝缘瓷珠/焊柱和第一阳极引线组合（引线柱）组成，三者按圆阵列均布在电子枪磁屏结构上，通过钎焊方式焊接固定；然后将第一阳极装在组合上的三个焊柱上，可通过补偿或适配方式，调节电子枪关键尺寸阴极-阳极的距离，通过脉冲激光焊打点方式固定。阴极与阳极的绝缘通过真空间距实现，这种结构具有绝缘可靠性高的特点。
31.所述的阴极组合1-1、枪芯支撑组合1-2、枪壳组合1-3、聚束极1-4、阳极组合1-5和后盖组合1-6之间的具体的连接位置关系为：使用配套夹具固定枪芯支撑组合1-2和聚束极1-4，通过激光焊打点焊接方式连接；然后通过高精度工装模具定位，将组合后的枪芯支撑组合1-2和聚束极1-4再继续装入阴极组合1-1，保证阴极-聚束极相对位置和同心度要求，通过激光焊方式连接固定；借助配套高精度工装，将以上焊接的组合装入枪壳组合1-3，保证阴极-枪壳定位面相对位置和同心度要求，再装入后盖组合1-6，三者间通过氩弧焊方式连接固定；检验上一步组件控制尺寸和形位公差合格后，与阳极组合1-5配合安装，通过氩弧焊方式连接固定。所述的外壳结构为陶瓷金属封接结构，高压绝缘和瓷封接支撑结构呈碗型分布。
32.ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，其特征在于，两段式结构喇叭形螺旋线慢波电路2包括慢波电路外壳和通过三根氧化铍介质夹持杆安装在慢波电路外壳内的两段式喇叭形螺旋线，所述的两段式喇叭形螺旋线为三组；集中衰减器位置起始位置为慢波电路总长l的0.36处、长度分布为14mm（输入段）+19mm（输出段）；慢波电路的相速跳变幅度1.01-1.03-1.055-0.924-0.84-0.832和电子注填充比渐变分布具体是0.47-0.0.65-0.53-0.74。
33.ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，所述的四级降压收集极3包括收集极外筒3-1、第一电极3-2、第二电极3-3、第三电极3-4、第四电极3-5和收集极后盖组合3-6，所述的各电极通过三瓣瓷环3-7固定在收集极外筒3-1内；各电极的相对位置通过三瓣瓷环上的定位槽固定，各电极的引线从三瓣瓷环中间的间隙穿过；并通过l型金属杆保证各电极引出引线相对其它电极和地电位的绝缘距离；四级降压收集极3通过压板固定和填充锡铅焊料与散热底板焊接。
34.以上所述的ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，波导结构输入/输出输能装置采用蓝宝石材料窗瓷片的波导窗，气密性好，功率承受量大，工艺技术成熟。
35.本发明所述的一种ka波段千瓦级宽带大功率脉冲行波管，所述的聚焦极控制的双阳极电子枪的装配方法包括以下步骤：先准备枪芯支撑组合1-2、枪壳组合1-3和阳极组合1-5的毛坯，其中枪芯支撑组合1-2通过精车加工，以保证与阴极组合1-1配合面与聚束极1-4定位面的同心度，及聚束极1-4的配合尺寸；将枪壳组合1-3精车加工，以保证与枪芯支撑组合1-2配合面和电子枪定位面的同心度；将阳极组合1-5精车加工，以保证与电子枪的紧配合，再经慢走丝加工保证定位
面与阳极孔的同心度；经多道激光焊操作，将阴极的保温结构、支撑结构和热丝引线转接结构有效连接，组成电子枪的核心部件阴极组合1-1；将枪芯支撑组合1-2的毛坯经精车加工，以保证与阴极组合1-1配合面和聚束极1-4定位面的同心度；然后用模具定位，将阴极组合1-1装入枪芯支撑组合1-2，激光焊固定，组成电子枪枪芯，保证阴极-聚束极定位面的同心度和高度；用模具定位，将电子枪枪芯再装入精车后的枪壳组合1-3中，保证阴极-枪壳定位面的同心度和高度，将后盖组合1-6穿过热丝和聚束极引线，并通过氩弧焊固定和密封；装配聚束极1-4，用聚束极同心度校正模定位，同时修正阴极组合和聚束极的高度，通过激光焊固定；检验并修正阴极组合到第一阳极的距离，装配阳极组合1-5，并氩弧焊固定，构成整个电子枪的电子光学系统。
36.四级降压收集极3的装配方法为：将装配定位合格后的组合借助热推收集极设备，利用材料热膨胀夹持技术，在保护气氛和收集极外筒3-1高频加热状态下，挤压进收集极外筒中，收集极外筒铜提前装入的定位模具壳保证电极组合相对地电位的相对位置和收集极入口相对于安装面的同心度；修正收集极各电极引线的状态，将收集极后盖组合3-6装入组件中，裁去多余引线，各电极引线通过氩弧焊打点方式焊接密封，配合面采用连续波激光焊方式连接固定和密封。
37.本发明提供的一种大功率、高效率的ka波段脉冲行波管，实现项目ka波段，带宽6ghz，工作比25%，脉冲功率大于1kw，增益大于40db, 效率大于45%系列行波管产品的应用需求。使用环境可满足-45℃～65℃，海拔3500米以下的陆基或岸基使用环境。
38.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。